用于天氣雷達(dá)標(biāo)定的便攜式頻譜儀設(shè)計(jì)

鄭鵬斌，李昭春

（1.海南省氣象探測(cè)中心，海南?？?570203；2.海南省南海氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，海南?？?570203）

我國(guó)目前已經(jīng)部署了超過(guò)200 部新一代天氣雷達(dá)（以下簡(jiǎn)稱“天氣雷達(dá)”），在預(yù)報(bào)服務(wù)、災(zāi)害性天氣預(yù)警跟蹤方面發(fā)揮著重要的作用。天氣雷達(dá)標(biāo)定的準(zhǔn)確與否決定了其數(shù)據(jù)質(zhì)量，進(jìn)一步?jīng)Q定了天氣預(yù)報(bào)的質(zhì)量。邵楠等[1-7]從數(shù)據(jù)質(zhì)量的需求出發(fā)，在多個(gè)方面對(duì)天氣雷達(dá)標(biāo)定技術(shù)以及故障診斷技術(shù)進(jìn)行了研究。在天氣雷達(dá)標(biāo)定中，頻譜儀有著不可代替的作用，可測(cè)量發(fā)射機(jī)輸出頻譜、極限改善因子以及接收機(jī)噪聲系數(shù)，并且在故障診斷時(shí)，可通過(guò)分析被測(cè)信號(hào)頻率、功率以及頻譜信息，達(dá)到故障定位的目的。周秀珍等[8-16]從理論到實(shí)際對(duì)頻譜儀進(jìn)行了研究，已在各行各業(yè)投入使用。

在天氣雷達(dá)標(biāo)定業(yè)務(wù)中，往往用不到臺(tái)式標(biāo)準(zhǔn)頻譜儀的所有功能，并且臺(tái)式標(biāo)準(zhǔn)頻譜儀比較笨重，運(yùn)輸不便。借鑒以往在天氣雷達(dá)標(biāo)定過(guò)程中使用臺(tái)式標(biāo)準(zhǔn)頻譜儀的經(jīng)驗(yàn)，基于是德科技的M9391A 頻譜分析板卡，開(kāi)發(fā)了一臺(tái)專用于天氣雷達(dá)標(biāo)定的便攜式頻譜儀。該頻譜儀針對(duì)天氣雷達(dá)定標(biāo)的需求，對(duì)各類指標(biāo)的測(cè)量方法進(jìn)行了定制，方便用于天氣雷達(dá)標(biāo)定。

1 總體設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)基于是德科技M9391A 頻譜分析板卡和官方驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)了頻譜功能軟面板和噪聲系數(shù)測(cè)量軟面板，用于設(shè)置參數(shù)以及顯示測(cè)量波形和結(jié)果[17-18]；開(kāi)發(fā)了驅(qū)動(dòng)管理程序，用于調(diào)動(dòng)官方程序控制硬件資源對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。總體框架如圖1 所示。

圖1 總體框圖

2 M9391A簡(jiǎn)介

該設(shè)計(jì)采用是德科技的M9391A 頻譜分析板卡作為硬件采集模塊，其具備頻率分辨率為0.001 Hz、最大分析帶寬為160 MHz、頻率范圍為1 MHz～6 GHz的頻譜分析能力。M9391A板卡由M9300A參考頻率、M9301A 頻率合成器、M9350A 下變頻器和M9214A中頻處理器四部分組成?？紤]到成本，該設(shè)計(jì)采用恒溫晶體振蕩器SOXO18B 代替M9300A 作為參考頻率，硬件連接圖如圖2 所示。SOXO18B 提供100 MHz參考頻率給頻率合成器，經(jīng)頻率合成器內(nèi)部的鎖相環(huán)和濾波器組處理，可輸出頻率為0.187 5～6 GHz、功率為-10～+10 dBm 的射頻本振信號(hào)，M9350A 將射頻測(cè)試信號(hào)與本振信號(hào)進(jìn)行下變頻處理，得出的中頻信號(hào)傳送給M9214A 進(jìn)行數(shù)字化處理，從而得到測(cè)量數(shù)據(jù)。

圖2 M9391A組成

3 軟面板設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)的軟面板分為頻譜測(cè)量軟面板和噪聲系數(shù)測(cè)量軟面板。頻譜測(cè)量軟面板的各功能如下：Fre功能的Center Frequency、Start Frequency、Stop Frequency 可設(shè)置頻譜的中心頻率、起始頻率和截止頻率；Span 用于設(shè)置頻率的掃描帶寬；Amptd 功能下的Ref Level 用于設(shè)置頻譜儀參考電平并同時(shí)設(shè)置波形圖Y軸的最大值，Range 用于設(shè)置波形圖Y軸顯示范圍，Auto Once 根據(jù)當(dāng)前顯示的數(shù)據(jù)由程序計(jì)算Y軸顯示范圍；RBW 用于設(shè)置頻譜儀分辨率帶寬，而Auto RBW 用于設(shè)置頻譜儀分辨率帶寬為自動(dòng)模式，其值為Span/1 000；Trace 功能下的Clear 用于清除Trace 狀態(tài)，Average 用于設(shè)置波形平均次數(shù)，Max Hold 用于設(shè)置最大保持；Trigger 用于設(shè)置頻譜儀觸發(fā)電平，F(xiàn)ree Run 用于設(shè)置頻譜儀觸發(fā)模式為自由觸發(fā)；Reset 用于重置頻譜儀設(shè)置參數(shù)；PeakSearch 用于查找信號(hào)的峰值，并用游標(biāo)在波形圖上標(biāo)識(shí)出來(lái)；Marker 功能下共有4 組Marker，每組Marker 有兩個(gè)游標(biāo)，分別為主游標(biāo)和Delta 游標(biāo)。噪聲系數(shù)測(cè)量軟面板的各功能如下：Frequency 功能下的Mode 用于設(shè)置點(diǎn)頻或掃頻模式，IFFrequency 用于設(shè)置中頻頻率，Show Mode 可設(shè)置噪聲系數(shù)為固定頻點(diǎn)、波形、列表的形式；DUT 用于設(shè)置被測(cè)器件的類型，分為放大器、上變頻器、下變頻器；SNR Table 用于設(shè)置超噪比；Calibrate 用于噪聲源的校準(zhǔn)；Average 用于設(shè)置平均功能的開(kāi)關(guān)以及平均的次數(shù)。

4 驅(qū)動(dòng)管理程序設(shè)計(jì)

按照新一代天氣雷達(dá)標(biāo)定規(guī)范，頻譜儀需要具備頻譜、譜寬測(cè)量和噪聲系數(shù)測(cè)量?jī)身?xiàng)功能才能完成標(biāo)定業(yè)務(wù)。為保證兼容性，需要借助M9391A 官方驅(qū)動(dòng)程序重新編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)管理程序。官方驅(qū)動(dòng)由AgM90XA 驅(qū)動(dòng)、AgM9391 驅(qū)動(dòng)和KtXSAnNoiseFigure驅(qū)動(dòng)3 部分組成。AgM90XA 驅(qū)動(dòng)為頻譜儀模塊的中間驅(qū)動(dòng)層，無(wú)法直接調(diào)用該驅(qū)動(dòng)完成頻譜儀驅(qū)動(dòng)程序的編寫(xiě)，但需要該驅(qū)動(dòng)完成所有控制指令的轉(zhuǎn)發(fā)，因此在驅(qū)動(dòng)程序初始化時(shí)必須啟動(dòng)該驅(qū)動(dòng)程序；AgM9391 驅(qū)動(dòng)程序?yàn)轭l譜儀模塊實(shí)際控制程序，所有的頻譜儀模塊的操作最終均需由此完成，但該驅(qū)動(dòng)未實(shí)現(xiàn)噪聲系數(shù)測(cè)試功能；噪聲系數(shù)測(cè)試功能由KtXSAnNoiseFigure 驅(qū)動(dòng)通過(guò)連接到AgM90XA 驅(qū)動(dòng)完成。

4.1 頻譜驅(qū)動(dòng)管理程序設(shè)計(jì)

頻譜測(cè)量模塊通過(guò)調(diào)用AgM90XA 驅(qū)動(dòng)程序中的AgM9391 驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)頻譜測(cè)試功能，主要用于雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的譜寬、極限改善因子的測(cè)量，圖3 給出了頻譜測(cè)試功能的設(shè)計(jì)流程圖以及所調(diào)用的接口。

圖3 頻譜功能的設(shè)計(jì)流程以及所調(diào)用的接口

在調(diào)用Initialize 接口完成初始化后，頻譜儀模塊可以選擇工作在3 種模式下，分別為Spectrum、IQ和Power，通過(guò)調(diào)用AcquisitionMode 設(shè)置工作模式為頻譜模式。調(diào)用RF.Frequency 設(shè)置頻譜儀模塊的中心頻率前需要對(duì)設(shè)置的頻率進(jìn)行校驗(yàn)，防止設(shè)置的中心頻率處于頻譜儀模塊的工作頻率范圍之外。頻譜儀模塊通過(guò)設(shè)置參考電平來(lái)改變內(nèi)部的放大器大小，提高頻譜儀模塊的動(dòng)態(tài)范圍，調(diào)用RF.Power 設(shè)置頻譜儀模塊的參考電平之前對(duì)設(shè)置的參考電平進(jìn)行校驗(yàn)，防止設(shè)置的參考電平不被頻譜儀模塊支持。

調(diào)用SpectrumAcquisition.Configure 設(shè)置頻譜采集參數(shù)（Span 和RBW）之前需要對(duì)設(shè)置的參數(shù)進(jìn)行校驗(yàn)，對(duì)于頻跨，設(shè)置值不能太小，亦不能大于頻譜儀的工作頻率范圍；對(duì)于分析帶寬，將分析帶寬和視頻帶寬設(shè)置為相同值，即fRBW=fVBW，其值不能小于1且不能超過(guò)當(dāng)前設(shè)置的頻跨，同時(shí)考慮到頻譜儀采集速度，在設(shè)計(jì)分析帶寬時(shí)限制了可輸入的范圍即限制了頻跨與分析帶寬的比值，其關(guān)系如下：

調(diào)用Triggers.AcquisitionTrigger.Mode 設(shè)置頻譜儀的觸發(fā)模式為立即觸發(fā)，等待頻譜儀模塊數(shù)據(jù)采集完成從AgM9391 驅(qū)動(dòng)中獲取采集到的數(shù)據(jù)，根據(jù)設(shè)置的采集方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。可使用的采集方式分別為原始數(shù)據(jù)顯示、平均、最大保持，其中采用平均的采集方式可以很大程度減小隨機(jī)噪聲對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。該設(shè)計(jì)采用滑動(dòng)平均的算法，即該次所采集的數(shù)據(jù)與上一次已經(jīng)平均過(guò)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比例相加，其公式如下：

其中，X為新采集到的波形數(shù)據(jù)，Avg[i-1] 為上次平均后的數(shù)據(jù)，N為平均次數(shù)。

4.2 噪聲系數(shù)驅(qū)動(dòng)管理程序設(shè)計(jì)

噪聲系數(shù)測(cè)試模塊通過(guò)調(diào)用KtXSAnNoise Figure 驅(qū)動(dòng)完成噪聲系數(shù)功能，用以測(cè)量天氣雷達(dá)接收機(jī)的噪聲系數(shù)。噪聲系數(shù)設(shè)計(jì)流程及調(diào)用接口如圖4 所示。

圖4 噪聲系數(shù)功能的設(shè)計(jì)流程

1）設(shè)置噪聲源工作模式

Corrections.ENR.SNSSetup.NoiseSourceState 接口用于設(shè)置噪聲源的工作模式，其可設(shè)置為冷熱態(tài)模式和自動(dòng)模式。當(dāng)噪聲源處于冷熱態(tài)模式時(shí)，表示用戶需要手動(dòng)控制噪聲源關(guān)或開(kāi)，驅(qū)動(dòng)程序不再進(jìn)行后面的流程，采用該模式需與雷達(dá)軟件相配合，完成整個(gè)接收通道（模擬段、數(shù)字段）的噪聲系數(shù)測(cè)量。當(dāng)噪聲源為自動(dòng)模式時(shí)，可自行控制噪聲源開(kāi)關(guān)，用以完成模擬接收通道噪聲系數(shù)測(cè)量。

2）設(shè)置頻率

射頻工作頻率fRF可設(shè)置為點(diǎn)頻和掃頻兩種模式。通過(guò)Frequency.Fixed 接口設(shè)置fRF為點(diǎn)頻模式，調(diào)用Frequency.Center 和Frequency.Span 可設(shè)置為掃頻模式。另SweepCoupling.SweepPoint 可用以設(shè)置掃描點(diǎn)數(shù)。

3）設(shè)置噪聲系數(shù)測(cè)試的測(cè)量模式

通過(guò)DUTSetup.Type 接口設(shè)置噪聲系數(shù)測(cè)試的測(cè)量模式。噪聲系數(shù)測(cè)試共有3 種測(cè)量模式，分別為放大器模式、上變頻模式和下變頻模式。當(dāng)選擇放大器模式時(shí)，噪聲系數(shù)測(cè)試無(wú)需再設(shè)置其他參數(shù)，準(zhǔn)備開(kāi)始噪聲源的校準(zhǔn)。當(dāng)噪聲系數(shù)測(cè)試處于上變頻模式或者下變頻模式時(shí)，需要設(shè)置噪聲系數(shù)測(cè)試的邊帶模式、本振頻率、中頻頻率，當(dāng)為下變頻模式時(shí)，分別通過(guò)調(diào)用DUTSetup.DownConverter.Sideband、DUTSetup.DownConverter.LOFrequency、D UTSetup.DownConverter.IFFrequency 接口設(shè)置邊帶模式、本振頻率和中頻頻率，而當(dāng)為上變頻模式時(shí)，則是通過(guò)DUTSetup.UpConverter.Sideband、DUTSetup.UpConverter.LOFrequency、DUTSetup.UpConverter.IF Frequency 接口來(lái)實(shí)現(xiàn)。

4）校 準(zhǔn)

參數(shù)設(shè)置完成后，根據(jù)用戶選擇是否開(kāi)始對(duì)噪聲源進(jìn)行校準(zhǔn)，通過(guò)Calibration.Initiate 接口對(duì)噪聲源進(jìn)行校準(zhǔn)。

5）讀取數(shù)據(jù)

校準(zhǔn)完成后讀取頻譜儀模塊的測(cè)量結(jié)果，根據(jù)是否完成校準(zhǔn)調(diào)用不同的接口讀取測(cè)試結(jié)果，如完成校準(zhǔn)通過(guò)Trace.ArrayData.FetchUncorrected 接口獲取數(shù)據(jù)，若未完成校準(zhǔn)則通過(guò)Trace.ArrayData.FetchCorrected 接口獲取數(shù)據(jù)。

5 雷達(dá)指標(biāo)測(cè)量

在天氣雷達(dá)年度標(biāo)定中，需要使用到頻譜儀項(xiàng)目的有3 項(xiàng)：發(fā)射機(jī)輸出頻譜及譜寬測(cè)量、發(fā)射機(jī)輸入輸出極限改善因子測(cè)量、接收機(jī)噪聲系數(shù)測(cè)量。

5.1 發(fā)射機(jī)輸出頻譜及脈寬測(cè)量

采用該設(shè)計(jì)的頻譜測(cè)量功能可完成發(fā)射機(jī)輸出頻譜及譜寬測(cè)量。在測(cè)量譜寬時(shí)，需設(shè)置采集方式為最大保持：首先存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)，判斷現(xiàn)有數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)長(zhǎng)度是否一致，若不一致，意味著參數(shù)已修改，則清除歷史數(shù)據(jù)，從現(xiàn)有數(shù)據(jù)開(kāi)始做最大保持；若一致，則把歷史數(shù)據(jù)的每一個(gè)點(diǎn)與現(xiàn)有數(shù)據(jù)的每一個(gè)點(diǎn)做對(duì)比，取較大值。該設(shè)計(jì)可自動(dòng)讀取標(biāo)定所需要的偏移功率-60～-10 dB 的譜寬，即譜寬讀取功能：根據(jù)Span 和RBW 可知采樣點(diǎn)數(shù)，把每一個(gè)采樣點(diǎn)編號(hào)，已知第一個(gè)點(diǎn)的頻率值和每相鄰兩個(gè)點(diǎn)之間的頻率差值Δf，即可根據(jù)編號(hào)得知每個(gè)點(diǎn)的頻率值。譜寬計(jì)算分左譜寬和右譜寬，左譜寬的計(jì)算方法：先找到頻譜功率最大值的點(diǎn)的編號(hào)X，找出從第一個(gè)點(diǎn)到X點(diǎn)的所有偏移功率值且為上升沿經(jīng)過(guò)的點(diǎn)，取得編號(hào)最大值Y，用X減去Y得到值Z，Δf與Z相乘即可得到此偏移功率值的左譜寬。右譜寬的計(jì)算方法：先找到頻譜功率最大值的編號(hào)A，找出從第A點(diǎn)到最后一個(gè)點(diǎn)的所有偏移功率值且為下降沿經(jīng)過(guò)的點(diǎn)，取得編號(hào)最小值B，用B減去A得到值C，Δf與C相乘即可得到此偏移功率值的右譜寬。左譜寬與右譜寬相加即可得到此偏移功率值的譜寬。

5.2 發(fā)射機(jī)輸入輸出極限改善因子測(cè)量

極限改善因子是反映信號(hào)在一定條件下的信號(hào)功率譜與噪聲功率譜之間的關(guān)系，采用該設(shè)計(jì)的頻譜測(cè)量功能可完成發(fā)射機(jī)輸入輸出極限改善因子測(cè)量。極限改善因子和信噪比的關(guān)系如下：

其中，I為極限改善因子，S/N為信噪比（dB），B為頻譜儀分析帶寬（Hz），F(xiàn)為雷達(dá)重復(fù)頻率（Hz）。利用該頻譜儀對(duì)某天氣雷達(dá)發(fā)射機(jī)的輸入極限改善因子進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，首先在面板上輸入測(cè)量參數(shù)：中心頻率為2.96 GHz，Span 為2 kHz，RBW 為3 Hz，調(diào)整參考電平至合理位置，讀取信噪比。例如重復(fù)頻率為644 Hz 的發(fā)射機(jī)輸入信噪比為75.24 dB，可算出輸入極限改善因子為51.92 dB。在測(cè)量過(guò)程中需注意發(fā)射機(jī)速調(diào)管的輸入信號(hào)功率大約為2 W，而該頻譜儀的最大輸入功率為1 W，需要在測(cè)量端加至少6 dB 的衰減器，以保證頻譜儀的安全。

5.3 接收機(jī)噪聲系數(shù)測(cè)量

接收機(jī)噪聲系數(shù)表征的是接收通道輸入與輸出的信噪比的值。在整個(gè)接收通道中，越前端的器件對(duì)噪聲系數(shù)的影響越大[19]。根據(jù)標(biāo)定規(guī)范，天氣雷達(dá)中一般采用Y 因子方法測(cè)量整個(gè)接收通道噪聲系數(shù)，即在接收系統(tǒng)前端連接噪聲源，分別在噪聲源冷態(tài)（關(guān)閉噪聲源電源）和熱態(tài)（打開(kāi)噪聲源電源）時(shí)測(cè)量接收系統(tǒng)的輸出噪聲功率P1和P2，計(jì)算公式為：

其中，ENR 為噪聲源超噪比（dB），P1為斷開(kāi)噪聲源的讀數(shù)（mW），P2為接通噪聲源的讀數(shù)（mW），NF為噪聲系數(shù)（dB）。在實(shí)際應(yīng)用中，為更好地了解接收通道器件的性能，特別是低噪聲放大器的噪聲性能和增益性能，一般采取DUT 方法測(cè)量模擬通道的噪聲系數(shù)。以采用下變頻模式的某雷達(dá)為例，在測(cè)量噪聲系數(shù)之前，需對(duì)噪聲源進(jìn)行標(biāo)校：設(shè)置模式為下變頻模式，邊帶模式為上邊帶，本振頻率為2.960 245 GHz，中頻頻率為57.55 MHz，然后進(jìn)行噪聲源校準(zhǔn)，校準(zhǔn)完成后，噪聲源連接至低噪聲放大器的前端，通過(guò)專用的+28 V 電源供電，信號(hào)處理器的輸入端連接至頻譜儀，讀取噪聲系數(shù)值。

6 結(jié)論

該頻譜儀根據(jù)天氣雷達(dá)標(biāo)定的要求，定制設(shè)計(jì)了頻譜測(cè)量功能、噪聲系數(shù)測(cè)量功能，在實(shí)際的測(cè)量中可準(zhǔn)確測(cè)量天氣雷達(dá)的發(fā)射機(jī)輸入和輸出的頻譜、譜寬、極限改善因子以及接收通道的噪聲系數(shù)，用于天氣雷達(dá)年維護(hù)標(biāo)定和年巡檢標(biāo)定。在頻譜儀使用過(guò)程中，需對(duì)天氣雷達(dá)系統(tǒng)的輸出信號(hào)特性較為了解，以便于設(shè)置測(cè)量參數(shù)和防止燒毀頻譜儀。